el agua apuntes

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EL AGUA Y SALES
ÍNDICE
1.
Estructura
2.
Propiedades del agua
3.
Funciones del agua en los seres vivos
4.
El agua y su relación con las sales minerales
• Regulación del pH
• Regulación osmótica
• Función de los principales iones disueltos
• Coloides y dispersiones. Estados de sol y gel. Diálisis
5.
Sales minerales precipitadas
1. ESTRUCTURA DEL AGUA
La biomolécula más abundante que existe en los seres vivos es el
agua con una proporción en peso del 70 % con respecto al resto.
La vida se originó en un medio acuoso y a oesar de exisitir seres
vivos terrestres, sus células siguen siendo medios acuosos.
El agua tiene de fórmula química H2O lo que significa que los dos
electrones desapareados del oxígeno (1s2 2s2 2p4) enlazan con cada
uno de los hidrógenos.
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El oxígeno es un elemento mucho más electronegativo que el
hidrógeno. Por este motivo los electrones compartidos en los
enlaces covalentes están más próximos al oxígeno generando una
región de densidad de carga negativa en esa zona mientras que en
las regiones ocupadas por el hidrógeno la densidad de carga será
positiva.
Esat asimetría de carga en una molécula con una región de positiva y
otra negativa, aunque la carga neta sea cero, es una propiedad que
recibe el nombre de polaridad.
Los puentes de hidrógeno son enlace intermoleculares que unen un
átomo de hidrógeno unido a un elemento muy electronegativo con
ese átomo electronegativo de otra molécula. Este enlace es una
fuerza de atracción electrostática entre el hidrógeno positivo y, en
el caso del agua, y el oxígeno negativo de otra molécula. También se
pueden encontrar en el amoniaco (NH2) y diversas funciones
orgáncias como grupos alcohol, ácido o amino.
Una molécula de agua puede llegar a formar puentes de hidrógeno
hasta con otras cuatro moléculas de agua,
2. PROPIEDADES DEL AGUA
Video sobre
disolución
de una sal
Las propiedades del agua se derivan de su polaridad y de la
capacidad de producir puentes de hidrógeno.
Estas propiedades son:
- El agua posee un elevado calor específico y calor latente de
vaporización (cantidades de calor para que una unidad de masa de
agua eleve su temperatura un grado o bien cambie de líquido a
vapor). Gracias a esta propiedad derivada de la presencia de
puentes de hidrógeno el agua se mantiene en estado líquido entre
0 y 100 C
- Es un buen disolvente de sustancias polares, llamadas también
hidrófilas por este motivo. La disolución consiste en que las
moléculas de agua rodean a las
moléculas de la sustancia que se
está disolviendo separando unas
de otras.
-El agua alcanza su máximo de
densidad a 4oC, razón por la cual
el hielo flota sobre el agua.
-Tiene una elevada tensión
superficial. Esta magnitud física
mide la dificultad para estirar o
romper la superficie de un
líquido.
-Presenta fuerzas de adhsesión
(las moléculas de agua se adhieren
a superficies, “moja”) y cohesión
(las moléculas de agua están
unidad unas a otra) altas.
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3. FUNCIONES BIOLÓGICAS DEL AGUA
Gracias sus propiedades el agua desempeña funciones vitales en los
seres vivos. las más destacables son:
- Termorregulación: debido su elevado calor latente de
vaporización y específico. El agua es capaz de absorber muchos
julios sin variar demasiado su temperatura y también absorbe
mucho calor al pasar de líquido a vapor refrigerando así la
superficie de la que toma ese calor. Este es el sentido biológico del
sudor de mucho mamífero o de la saliva en otros animales como el
perro o el cocodrilo.
El alcohol etílico tiene un calor
específico de 0’6 cal/g.oC, es decir,
sólo se requieren 0’6 calorías para
elevar 1oC la temperatura de 1
gramos de etanol. El valor de Ce
del agua es 1
- Medio de realización de las reacciones bioquímicas. Gracias a que
es un buen disolvente de sustancias polares e iones, el agua ofrece
un medio en el cual se lleven a cabo las reacciones bioquímicas de
la actividad celular. Además su interacción con moléculas
hidrofóbicas como los fosfolípidos permite la creación de
compartimentos en los que las reacciones químicas son más
eficientes.
- Permite la vida en lugares con temperaturas inferiores a los 0oC.
Cuando el agua se congela, en vez de hundirse queda en la
superficie aislando el agua que queda por debajo de las
temperaturas bajo cero del medio exterior impidendo así que se
congele en su totalidad. Gracias a esto puede haber agua en las
regiones árticas y antárticas y en zonas altas.
- En relación con las sales minerales disueltas permite la
homeostasis, es decir, la constancia de parámetros vitales de
modo que sean compatibles con la vida como
el pH y la presión osmótica. (la
termorregulación también es otra función del
agua en relación con la homeostasis).
Material
multimedia sobre
el agua
Documento distinción moléculas
polares y apolares
- Capilaridad: es una consecuencia de las
elevadas fuerzas de cohesión de las moléculas
de agua. Es un fenómeno gracias al cual las
moléculas de agua ascienden espontáneamente
por tubos muy estrechos. Esta característica
contribuye al ascenso de la savia bruta por los
estrechos vasos del xilema en las plantas.
- Algunos animales como el zapatero (Gerris
lacustris) pueden desplazarse sobre el agua gracias a su elevada
tensión superficial.
- Interviene en muchas reacciones como reactivo y como producto
como por ejemplo en las reacciones de hidrólisis.
Agua: propiedaes y
funciones
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Existen muchas moléculas que a pesar de ser hidrófilas no se
disuelven en agua debido a su elevado peso molecular como es el
caso, por ejemplo, de las fibras de celulosa. Estas macromoléculas
quedan en suspensión estable en el medio acuoso generando lo que
se llama coloides.
4. EL AGUA Y SU RELACIÓN CON LAS SALES MINERALES
Las sales minerales constituyen el otro grupo de biomoléculas
inorgánicas.
las sales solubles y otros electrolitos generan espontáneamente
iones tras su disolución que desempeñan funciones vitales en los
seres vivos tal y como se verá más adelante.
El ph y la acidez
El agua tiene un pequeñísimo grado de ionización que consiste en
que parte de las moléculas de H2O han cedido un protón (H+) a otra
molécula de agua quedando ellas como OH- y las que han recibido el
protón como H3O+.
La acidez de un medio viene dada por la [H3O+] de modo que cuanto
mayor sea esta concentración mayor será su acidez. En el caso del
agua destilada [H3O+] es 10-7. La acidez se mide mediante una
magnitud llamada pH que es pH = - Log [H3O+]
Para el agua, el pH = - Log 10-7 = 7 que es considerado un pH neutro.
Para valores mayores de [H3O+] (exponentes -6, -5, ....) el pH será
menor que siete y el medio es ácido y para valores menores de [H3O+]
que 10-7 (exponentes -8,-9,...) el medio será básico.
Las sustancias disueltas en agua alteran el pH que debe mantenerse
en unos márgenes muy estrechos y cercano a 7 para que sea
compatible con la via. Por ejemplo, una pequeña variación puede
alterar drásticamente la actividad de las proteínas. Por este motivo
la constancia del pH es fundamental para los seres vivos.
Las células y los organismos mantienen un pH citosólico específico y
constante gracias a unas sales disueltas que forman disoluciones que
son capaces de amortiguar estas variaciones. Estas disoluciones
están formadas por mezclas de ácidos débiles y sus bases conjugadas
(se verá en el tema de ácidos y bases de química). Estas disoluciones
se denominan amortiguadoras, tampones o buffers.
Los tampones biológicos más importantes en el ser humano son el
sistema fosfato y bicarbonato.
Sistema tampón fosfato
Actúa en el citoplasma de las células (medio intracelular) y su
capacidad de amortiguación de pH está en un intervalo entre 5’9 y
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7’9 lo que cubre con creces las necesidades de los sistemas
biológicos cuyo pH debe oscilar entre 6’9 y 7’4.
El tampón fosfato forma el siguiente equilibrio:
H2PO4- + H2O <---> H3O+ + HPO42Cuando el pH disminuye (la acidez aumenta y la [H3O+] también) se
consumen los H3O+]reaccionando con el HPO42- . De este modo se
contrarresta el aumento de [H3O+]. Si el pH aumenta, se disocia más
H2PO4- produciendo más H3O+ que neutralizará la subida del pH.
Sistema bicarbonato
Es el sistema de tamponamiento del pH que se encuentra en el
plasma sanguíneo. En este caso el equilibrio se produce entre el
ácido carbónico (trioxocarbonato (IV) de hidrógeno), dador de
protones, y el ion bicarbonato [hidrógenotrioxocarbonato (IV)],
aceptor de protones.
H2CO3 + H2O <---> H3O+ + HCO3En realidad el H2CO3 que hay en el plasma sanguíneo se forma a partir
del CO2 disuelto lo que hace al sistema químico más complejo (CO2 +
H2O <---> H2CO3) ya que en realidad intervienen dos equilibrios.
El pH de la sangre tiene habitualmente un valor de 7’4. En algunas
situaciones patológicas como la diabetes grave no controlada se
produce una sobredosis de ácidos metabólicos que hace que el pH de
la sangre pueda bajar a 6’8 a pesar del sistema de tamponamiento.
La homeostasis del pH es un factor fundamental para el
mantenimiento de la vida. Por eso, aquellos impactos contaminantes
que alteran el pH como la lluvia ácida
son tan graves para el medio
ambiente.
La regulación osmótica
La ósmosis es un movimiento de agua
(disolvente) desde una disolución de
concentración menor (hipotónica) a
otra de concentración mayor
(hipertónica) cuando ambas están
separadas por una membrana
semipermeable. El agua se mueve
gracias a diferencia de presión
osmótica que hay entre una disolución
concentrada (mayor) que atrae al
disolvente desde una disolución más
diluida (menor presión osmótica). La
presión osmótica es directamente
proporcional a la concentración de la
disolución.
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(Una persona no puede vivir más
de unos minutos si su pH sanguíneo
supera el valor de 7’6 o disminuye
por debajo de 7)
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(Cuando dos disoluciones tienen
igual concentración se dice que
son isotónicas)
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Cuando se introduce una célula en un medio hipotónico entrará agua
a su interior y la célula reviente. Por el contrario, si se introduce en
un medio hipertónico la célula perderá agua y se arrugará y
deshidratará. Es evidente que estas situaciones no son compatibles
con la vida por lo que la homeostasis de la presión osmótica, la
osmorregulación, es otro factor vital para el mantenimiento de la
vida.
A lo largo de la evolución, los seres vivos han desarrollado diversas
estrategias para evitar catástrofes osmóticas. Las células vegetales,
las moneras, hongo y muchos protoctistas han desarrollado una pared
celular rígida y no expandible con resistencia suficiente para resistir
la presión osmótica y evitar que la célula explote al encontrarse en
medios hipotónicos. Por la tanto la célula sólo se hincha estado que
se denomina turgencia. Gracias a la turgencia las plantas pueden
conseguir rigidez mecánica.
Animación 1
ósmosis
Animación 2
ósmosis
Cuando una célula vegetal se introduce en un medio hipertónico, por
ejemplo agua de mar, pierden agua y la membrana celular que estaba
pegada a la apred celular se contrae pero algunos fragmentos quedan
adheridos a la pared celular rompiéndose la célula.
Por el contrario las células animales en un medio hipotónico
explotan irremisiblemente al no tener pared celular fenómeno que
recibe el nombre de plasmolisis (hemolisis, en el caso de células
sanguíneas). La única solución posible para las células animales es
mantener isotónicos los medios intracelulares y extracelulares
mediante diversos sistemas.
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- A nivel celular mediante sistemas de bombeos
de iones que igualen las concentraciones de los
dos medios así como la regulación de la
concentración de determinadas proteinas como
albúminas que también contribuyen a regular las
concentraciones de soluto con su mayor o menor
presencia.
- A nivel orgánico, los animales desarrollan
sistemas para controlar la cantidad de agua que
permanece en el organismo y también la cantidad
de sales. Estos sistemas son los sistemas
excretores que generan orina junto con glándulas
que tienen algunas especies y que son capaces de
secretar sales.
En un medio hipertónico las células animales se
arrugan y deshidatan.
Los azúcares se almacenan en forma de
polisacáridos porque generan presiones osmóticas
compatibles con valores vitales. Por ejemplo 1
gramo un polisacárido tiene el mismo efecto
osmótico que un miligramo de glucosas sueltas.
Función los principales iones y sales disueltas
Mineral
Localización función
Otras características
Fe
Mioglobina - Hemoglobina
HIERRO
Almacenamiento y
transporte oxígeno
Se encuentra en carnes, vísceras (hígado),
pescados, aves y en algunas legumbres y
verduaras. En el organismo existen entre 3 y 5
gramos de hierro: el 60 % en la hemoglobina y
el 40 % en la ferritina y hemosiderina,
proteínas que lo almacenan en el hígado.
Cu
COBRE
F
FLÚOR
Co
COBALTO
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Interviene en la síntesis de Abundante en mariscos (ostras), vísceras y
la hemoglobina
frutos y legumbres secas. El 90 % está
ubicado en músculos, huesos e hígado. Cu2+.
Se encuentra en dientes,
huesos, plasma, piel y
tiroides. Proporciona
resistencia a la caries
dental y en cantidades
moderadas mejora la
osteoporosis.
Se localiza en el agua fluorada, alimentos
marinos y té. No se debe consumir más de 4
miligramos al día.
Forma parte de la Vitamina
B12 que interviene en la
hematopoyésis
Es abundante en órganos y músculos de
animales. Se encuentra fundamentalmente
almacenada en el hígado La carencia de
vitamina B12 produce la anemia perniciosa
Su metabolismo es modificado negativamente
por la toma prolongada de corticoides y
tranquilizantes. Su ion es F-.
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Mineral
Localización función
Otras características
Zn
Se localiza en músculos, ojos,
piel y próstata. Es cofactor
de más de 100 enzimas
Sus fuentes naturales son las ostras, carnes,
huevos, pescados y cereales integrales. Interviene
en la movilización de la vitamina A. Su ion es Zn2+.
Interviene el metabolismo de
carbohidratos y lípidos.
También es abundante en ostras, hígado, patatas,
cereales y levaduras de cerveza. La deficiencia de
cromo en la dieta puede provocar intolerancia a la
glucosa.
CINC
Cr
CROMO
Mn
MANGANESO
I
IODO
Ca
CALCIO
Na, K, Cl
Potasio
Sodio
Se encuentra en enzimas,
hueso e interviene en el
crecimiento y reproducción
Se encuentra en nueces, cereales, integrales,
legumbres, té y verduras. Mn2+.
El iodo forma parte de las
hormonas tiroideas (tiroxina
- T4 y triyodotironina T3)
Es especialmente abundante en alimentos que
proceden del mar (mariscos, pescados y algas).
Es abundante en los huesos
que es su reservorio para el
organismo. Interviene en la
coagulación y la contracción
muscular
Su fuente natural son los productos lácteos.
Forma parte de la sustancia intercelular del tejido
óseo. También actúa como segundo mensajero en
el sistema de transducción de señales. Su ion es
Ca2+.
Son los iones que intervienen
en la generación del
potencial de membrana e
impulso nervioso
La sal común es la fuente principal de estos iones.
El organismo humano contiene 20 a 25 mg de I,
encontrándose y entre el 70 y 80 % se localiza en
el tiroides. Su ion es I-.
Las formas iónicas son Na+, K+, Cl-.
Cloro
Mg
MAGNESIO
Forma parte de la molécula de Además, también es un componente fundamental
clorofila
en la sustancia intercelular del tejido óseo.
El ion es Mg2+.
Coloides. Estados de Sol y Gel. Dialisis
Como ya se ha mencionado anteriormente, la difeencia entre una
disolución y una dispersión coloidal (coloide) es el diametro de los
solutos. Cuando estos solutos son macromoléculas de un diámetro
que oscila entre 10-7 y 2.10-5 cm, por ejemplo proteínas,
polisacáridos o ácidos nucleicos, forman dispersiones coloidales que
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se caracteerizan porque las partículas quedan en suspensión. Estas
partículas en suspensión pueden adquirir dos estados físicos:
• Sol: cuando el coloide tiene un aspecto líquido y es debido en el
que los solutos coloidales no están en mucha cantidad.
• Gel: cuando el coloide tiene un aspecto de gel sólido o
semisólido. En este caso la proporción de soluto es mucho mayor
que la de disolvente. Por ejemplo, forman geles, dispersiones
coloidales de colágeno y de pectinas.
Las partículas en suspensión de un coloide pueden sedimentar
mediante centrifugación. De hecho, este sistema se utiliza para
separar distintos componentes de un coloide ya que según su tamaño
sedimentan antes o después según las rpm (revoluciones por minuto)
de la centrifugadora. De este modo las sustancias más grandes
quedarán en el fondo del precipitado y las más ligeras en la
superficie del precipitado.
La diálisis es un proceso de separación de los solutos de un coloide
en función del tamaño. Se consigue haciendo pasar la dispersión
coloidal por membranas semipermeables con poros de diferentes
diámetros.
5. LAS SALES MINERALES PRECIPITADAS
Las sales forman piezas duras, más o menos rígidas, que suelen ser el
esqueleto externo o interno de muchos organismos. Es el caso, por
ejemplo, de los huesos de los vertebrados - compuestos de carbonato
de calcio y fosfato de calcio-, de las conchas de los moluscos carbonato de calcio-, los otolitos también formados por carbonato
de calcio o de las cubiertas de las diatomeas contituidas por sales de
sílice.
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